Печи
Печи значительно отличаются в разных отраслях промыш-
ленности по размерам, температурному режиму, организации процесса горения, видам используемого топлива и рабочему циклу.
Поэтому, вероятно, неправильно рассматривать такие вопросы, как утилизация теплоты и новые методы плавки, применительно только к одной отрасли промышленности. Например, в гл. 3 рассмотрено применение керамических рекуператоров в металлургии. Эти установки в настоящее время наиболее широко применяются именно в этой отрасли промышленности, для которой повышение эффективности использования топлива в печах имеет очень большое значение.К керамическим печам предъявляются специальные требования в зависимости от вида обрабатываемого сырья. Такие печи, как правило, непрерывного действия; сырье в них движется по транспортеру от одного конца к другому. Печи периодического действия применяются для высокоскоростных режимов обработки, а миксерные печи — для выдержки метериалав расплавленном состоянии в течение длительного периода времени.
Тепловые потоки в печах. Схемы тепловых и материальных потоков в печах периодического и непрерывного действия приведены на |жс 6.28 и 6.29 [6.17]. В печи периодического действия сырье подогревается непосредственно в печи. Основные потери теплоты связаны с продуктами сгорания топлива, уходящими через дымовую трубу. (Другие потери теплоты показаны на рисунке, а способы сведения их до минимума рассмотрены в гл. 5.) Теплота газов может быть использована
Рис. 6.28. Потоки теплоты в печи периодического действия Б Зак. 1641
для предварительного нагрева воздуха, поступающего в зону горения, с применением рекуператоров, для получения пара с использованием котла-утилизатора (гл. 7), а также для предварительного нагрева сырья до поступления его в печь.
Печи непрерывного действия, применяемые главным образом для термообработки, имеют большие возможности утилизации теплоты непосредственно внутри самой печи. Некоторые из этих возможностей показаны на рисунке. Холодный воздух, поступающий в печь, может быть использован для охлаждения готовых изделий и далее в качестве воздуха для горелок печи, а горячий отработанный газ поступает для предварительного нагрева обрабатываемых изделий.
Печи периодического действия, нагреватели для вагранок. В чугунолитейных цехах произошел переход от рекуператоров к прямому сжиганию ваграночных газов при использовании кокса или природного газа. Как уже отмечалось, характер состава отработанных газов может влиять на срок службы рекуператора, поэтому в некоторых случаях необходимо применение керамических материалов. Эксплуатационные расходы будут высокими, если требуются затраты на защиту окружающей среды от загрязнений. С учетом этого определено, что применение рекуператоров на вагранках экономически менее выгодно, чем применение нагревателей с прямым воспламенением. Другими словами, расходы На стоимость топлива при работе вагранки компенсируются экономией, полученной при ее эксплуатации (на основании действующих цен на топливо и трудовые затраты).
На рис. 6.30 показан в разрезе нагреватель вагранки фирмы Wellman Incandescent Furnace Co. Ltd. При прохождении газов из камери горения через форсунку в смеситель скорость их возрастает. При этом часть отработанных газов движется противотоком вдоль наружного кольцевого пространства, охлаждая газы в основном теплообменнике до допустимой температуры. Вдуваемый воздух проходит по трубам, расположенным в кольцевом пространстве, а горячие продукты горения, проходя над этими трубами, нагревают воздух, который затем поступает в печь. В этих нагревателях применяются U-образные трубы, благодаря которым решаются проблемы термического расширения. КПД нагревателей вышеописанного типа составляет около 80 %, а температура воздуха на выходе — около 500°С.
Основной экономии на вагранках достигают благодаря применению
Рис. 6.29. Схема печи непрерывного действия
Рис. 6.30. Нагреватель вагранки доменной печи фирмы Wellman Incandescent Furnace Co. Ltd.:
/ — рециркуляционный канал; 2 — камера сгорания
распределенной системы подачи дутья в печь, разработанной фирмой British Cast Iron Research Assosiation (BCIRA). В этой системе [6.19, 6.20], которая применяется в печах, работающих на коксе, воздух, необходимый для сжигания кокса, продувают в вагранку через два ряда фурм, расположенных на соответствующем расстоянии друг от друга, а не через одну фурму. Разделенная струя нагнетаемого воздуха (каждый ряд принимает 50% горячего воздуха из нагревателя) приводит к сокращению расхода кокса в некоторых вагранках на 30 % и, кроме того, обеспечивает увеличение выпуска расплавленного железа на 25%.
Капитальные затраты, связанные с реконструкцией существующих вагранок, незначительны по сравнению с получаемой экономией. По сообщению BCIRA период окупаемости в одном литейном цехе (Великобритания) составил всего 14 недель. Крупный литейный цех в Канаде получил экономию 170 тыс. долл. за один год при затратах на реконструкцию 18 тыс. долл. Снижение расхода кокса на 1 т чугуна дает дополнительные преимущества, связанные с более низким содержанием серы, что устраняет необходимость в установке обессеривания, и с выходом чугуна более высокого качества.
Замена вагранки электроплавкой. Комитет Electricity Counal в последнее время рекламирует замену вагранок на больших чугунолитейных заводах дуговой электропечью или бессердечниковой индукционной печью [6.21]. В дуговой печи электроды вставляют в камеры через свод печи; при образовании дуги теплота выделяется непосредственно при прохождении тока через шихту, а также излучением от дуги и электродов.
На некоторых установках шихту нагревают перед подачей в печь [6.22]. Такие печи надежны, и материал для шихты может быть самым дешевым.Нагрев и термообработка. Термические и нагревательные печи применяются на более поздней стадии производства для получения литья, обработки металла с целью улучшения его свойств или для удовлетворения требований в определенной области их применения.
В нагревательных печах сталелитейной промышленности слябы и сутунки нагревают до температуры около 1200 °С перед прокаткой. Этот нагрев осуществляют с помощью электрической энергии, жидким или газообразным топливом с одновременным отводом сбросной тепло* ты, которую можно частично утилизировать. В СССР широко при* меняются рекуперативные теплообменники в нагревательных печах, работающих на газовом топливе [6.23], а в Японии фирма Kawasaki Heavy Industries разработала рекуперативную нагревательную систему для нагревательных печей, работающую на жидком топливе. При утилизации теплоты отработанных газов для подогрева воздуха, направляемого воздуходувкой через ряд сопл на сутунки в нагревательной камере, экономия энергии достигает 20%. Эта система, установленная на нагревательной печи производительностью 300 т/ч, может дать экономию, эквивалентную 865 тыс. долл в год.
Значительную экономию энергии в течение всего цикла от закладки руды до получения готового продукта может давать правильное проведение процесса.
Нехватка природного газа в США вызвала необходимость поиска путей экономии энергии и в других процессах термообработки [6.251, при которых газообразное топливо с низкой теплотой сгорания заменяет природный газ. Фирма Sunbeam Equipment разработала печь для цементации с днищем подковообразной формы; загрузочное отверстие в закалочном отделении обращено к разгрузочному отверстию отделения отпуска. Отработанные газы при температуре 900 °С идут по бврову из закалочного отделения в отделение отпуска, при этом энтальпия продуктов горения больше, чем ранее получаемой теплоты в этом процессе. Это дает 35% экономии стоимости топлива. На некоторых заводах применяются нагревательные печи, работающие на низкокалорийном газе, а на загруженных термических печах поддерживают более низкую температуру (730° С) для сохранения теплоты, аккумулируемой печью.